周小金, 段永剛, 朱 愚, 陽(yáng) 星, 苑術(shù)生, 王虎軍， 劉俊辰

(1西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 2中國(guó)石油西南油氣田公司頁(yè)巖氣研究院3頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)與開(kāi)采四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 4中國(guó)石油西南油氣田公司重慶氣礦5 西南油氣田公司工程技術(shù)處 6 玉門(mén)油田分公司油田作業(yè)公司7中國(guó)石油西南油氣田公司四川頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司)

中國(guó)頁(yè)巖氣分布非常廣泛，四川盆地頁(yè)巖氣估算總資源量近40×1012m3，開(kāi)發(fā)潛力巨大[1]。頁(yè)巖儲(chǔ)層物性差，孔隙度低，滲透率極低，水平井分段壓裂成為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)[2-3]。經(jīng)過(guò)多輪技術(shù)攻關(guān)，國(guó)內(nèi)定型了埋深3 500 m以淺的頁(yè)巖氣壓裂主體工藝：低黏滑溜水、70/140目石英砂+40/70目陶粒組合支撐劑、大排量、大液量、大砂量。長(zhǎng)寧地區(qū)目前70/140目石英砂使用比例一般不超過(guò)30%，W204井區(qū)因儲(chǔ)層埋藏深，加砂難度大，70/140目石英砂比例近40%。

2014年國(guó)際油價(jià)斷崖式下跌以來(lái)，北美頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)作業(yè)者為降低作業(yè)成本，大幅提高石英砂使用比例。美國(guó)壓裂用石英砂使用占比由2012年的80%提高至2017年的95%，而覆膜砂、陶粒由10%分別降低至2%、3%[4]。部分地區(qū)甚至將石英砂使用比例提高至100%。北美頁(yè)巖氣井大幅提高支撐劑加量，改善支撐裂縫導(dǎo)流能力。

因此，結(jié)合川南頁(yè)巖儲(chǔ)層地質(zhì)特征，在確保壓裂效果的前提下進(jìn)一步探索降本新途徑，開(kāi)展石英砂替代陶粒壓裂方案論證及先導(dǎo)性試驗(yàn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，為川南頁(yè)巖氣實(shí)現(xiàn)高效低成本開(kāi)發(fā)提供了新的選擇。

一、國(guó)內(nèi)外壓裂用石英砂使用現(xiàn)狀

1. 美國(guó)石英砂使用現(xiàn)狀

目前美國(guó)壓裂用支撐劑分為三類(lèi)：陶粒、覆膜砂、石英砂。因石英砂相比陶粒與覆膜砂具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)，2014年國(guó)際油價(jià)大幅下跌以來(lái)，美國(guó)石英砂使用比例得以大幅提高，絕大多數(shù)區(qū)塊使用比例超過(guò)90%。據(jù)國(guó)際機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，石英砂在全球壓裂支撐劑的市場(chǎng)份額將會(huì)超過(guò)60%[5]。

2. 川南頁(yè)巖氣井壓裂用石英砂使用現(xiàn)狀

川南頁(yè)巖氣井壓裂主體采用70/140目石英砂與40/70目陶粒組合支撐劑，70/140目石英砂主要用于打磨射孔孔眼與封堵細(xì)微裂縫，40/70目陶粒主要用于對(duì)裂縫的支撐，維持支撐裂縫的高導(dǎo)流能力。因此，川南頁(yè)巖氣井壓裂用70/140目石英砂比例一般不超過(guò)25%。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)期間常因40/70目陶粒加入難度大而被動(dòng)提高70/140目石英砂用量，但國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣井壓裂用石英砂比例明顯低于北美，以長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)為例，N201、W202、W204井區(qū)井石英砂使用比例分別為20.62%、32.67%、41.07%(如圖1)。

圖1 長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣示范區(qū)支撐劑使用情況

二、長(zhǎng)寧地區(qū)石英砂替代陶粒壓裂工藝可行性論證

1. 頁(yè)巖氣井生產(chǎn)所需最低裂縫導(dǎo)流能力確定

通過(guò)前期巖心測(cè)試，長(zhǎng)寧區(qū)塊五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖基質(zhì)滲透率較低，介于(2.36 ～1250)×10-6mD之間，平均滲透率為251.26×10-6mD。以長(zhǎng)寧地區(qū)主體壓裂參數(shù)(單段液量1 800 m3，單段支撐劑用量120 t，施工排量12 m3/min)為基礎(chǔ)輸入?yún)?shù)，開(kāi)展裂縫導(dǎo)流能力優(yōu)化。結(jié)果表明：裂縫導(dǎo)流能力為10～12 mD·m即可滿足頁(yè)巖氣井正常生產(chǎn)(如圖2)。針對(duì)特低滲頁(yè)巖儲(chǔ)層正常生產(chǎn)，無(wú)需特別高的支撐裂縫導(dǎo)流能力。

圖2 不同基質(zhì)滲透率條件下裂縫導(dǎo)流能力與2年累產(chǎn)關(guān)系

2. 室內(nèi)石英砂導(dǎo)流能力測(cè)定

為評(píng)價(jià)石英砂長(zhǎng)期導(dǎo)流能力，開(kāi)展室內(nèi)測(cè)定實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在閉合壓力50 MPa條件下，鋪砂濃度2.5 kg/m2的40/70目石英砂與鋪砂濃度10 kg/m2的70/140目石英砂均可獲得12 mD·m以上的長(zhǎng)期導(dǎo)流能力(如圖3)。因此，針對(duì)長(zhǎng)寧地區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層，具備開(kāi)展石英砂替代陶粒的地質(zhì)基礎(chǔ)。

圖3 壓裂用石英砂長(zhǎng)期導(dǎo)流能力實(shí)驗(yàn)測(cè)定曲線

圖4 不同基質(zhì)滲透率條件下支撐縫長(zhǎng)與累產(chǎn)曲線

三、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案優(yōu)化

1. 試驗(yàn)井優(yōu)選

本次石英砂替代陶?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)優(yōu)選CNX1-3井為試驗(yàn)井，其各項(xiàng)地質(zhì)、工程參數(shù)與鄰井CNX1-4井相當(dāng)(如表1)，便于開(kāi)展效果對(duì)比。

2. 支撐裂縫長(zhǎng)度優(yōu)化

針對(duì)長(zhǎng)寧地區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層基質(zhì)滲透率為(2.36～1 250)×10-6mD，開(kāi)展不同基質(zhì)滲透率條件下支撐裂縫半長(zhǎng)與累計(jì)產(chǎn)量的關(guān)系研究，數(shù)值模擬顯示當(dāng)支撐裂縫半長(zhǎng)大于120 m后，累計(jì)產(chǎn)量增幅放緩(如圖4)，故以支撐裂縫半長(zhǎng)120 m為最優(yōu)。

3. 支撐劑規(guī)模優(yōu)化

針對(duì)長(zhǎng)寧地區(qū)儲(chǔ)層，以目前單段主體壓裂液用量1 800 m3為基礎(chǔ)條件，開(kāi)展不同支撐劑用量(120 t；140 t；160 t；180 t)下的累計(jì)產(chǎn)量對(duì)比，如圖5所示。當(dāng)單段支撐劑加量為160 t時(shí)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)。

表1 CNX1-3、4井基礎(chǔ)參數(shù)對(duì)比

圖5 單段支撐劑不同加量條件下氣井累產(chǎn)曲線

4. 壓裂液規(guī)模優(yōu)化

當(dāng)單段支撐劑加量為160 t時(shí)，開(kāi)展壓裂液規(guī)模優(yōu)化，通過(guò)6種方案(1200 m3；1400 m3；1600 m3；1800 m3；2000 m3；2200 m3)結(jié)果對(duì)比，累計(jì)產(chǎn)量隨壓裂液總量增加不斷增加，但當(dāng)超過(guò)1 800 m3以后，累計(jì)產(chǎn)量增幅明顯變緩(如圖6)。同時(shí)，方便與前期實(shí)施井開(kāi)展效果對(duì)比，單段壓裂液規(guī)模為1 800 m3。

圖6 單段壓裂液不同用量條件下氣井累產(chǎn)曲線

5. 不同粒徑支撐劑組合比例優(yōu)選

70/140目支撐劑因其粒徑較小，更易進(jìn)入細(xì)微裂縫，砂堵風(fēng)險(xiǎn)較40/70目支撐劑小，但小粒徑支撐劑導(dǎo)流能力更低，為達(dá)到施工難度與導(dǎo)流能力的平衡，開(kāi)展不同粒徑支撐劑組合比例優(yōu)選(70/140目∶40/70目=0∶1；3∶7；4∶6；5∶5；6∶4；7∶3；8∶2；9∶1；19∶1；1∶0)。數(shù)值模擬結(jié)果表明，組合支撐劑效果優(yōu)于全部采用70/140目石英砂(如圖7)?？紤]逐步推動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及石英砂破碎、嵌入對(duì)導(dǎo)流能力的影響，推薦70/140目占比70%為最終方案。

圖7 單段不同支撐劑占比例條件下氣井累產(chǎn)曲線

四、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果分析

CNX1-3井石英砂替代陶?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)施期間，套管變形嚴(yán)重，設(shè)計(jì)壓裂23段，實(shí)際壓裂18段，設(shè)計(jì)壓裂段長(zhǎng)1 551.5 m，實(shí)際壓裂段長(zhǎng)1 217 m。

在地質(zhì)工程條件相當(dāng)?shù)臈l件下，CNX1-3井全部采用石英砂，CNX1-4井采用常規(guī)壓裂工藝。因套管變形，CNX1-3井丟5段，丟334.5 m，該井實(shí)際壓裂段數(shù)、段長(zhǎng)明顯低于CNX1-4井(如表2)。

同等測(cè)試制度條件下，CNX1-3井測(cè)試井口壓力18.24 MPa，測(cè)試產(chǎn)量40.01×104m3/d；CNX1-4井測(cè)試井口壓力17.23 MPa，測(cè)試產(chǎn)量30.55×104m3/d。CNX1-3井測(cè)試產(chǎn)量較CNX1-4井提高31%。若按照改造段長(zhǎng)1 500 m進(jìn)行折算，CNX1-3井測(cè)試產(chǎn)量較CNX1-4井提高67%。如表3所示，CNX1-3井燜井時(shí)間、見(jiàn)氣時(shí)間更短，且CNX1-3、4井平均單位壓降測(cè)試產(chǎn)量分別為3.4×104m3/(MPa·d)、1.93×104m3/(MPa·d)，可見(jiàn)CNX1-3井采用石英砂替代陶粒未出現(xiàn)支撐裂縫導(dǎo)流能力低、滲流阻力大而影響氣井生產(chǎn)的情況，石英砂替代陶粒在長(zhǎng)寧地區(qū)技術(shù)可行。

表2 CNX1-3、CNX1-4井施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表3 CNX1-3、CNX1-4井排采參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

在壓裂成本方面，目前石英砂單價(jià)較陶粒低約1 000元/噸，單段160 t石英砂較30 t石英砂+90 t陶粒成本可節(jié)約5.8萬(wàn)元，以單井壓裂段長(zhǎng)1 500 m，壓裂25段測(cè)算，單井支撐劑物料成本可節(jié)約145萬(wàn)元，石英砂替代陶粒壓裂工藝在經(jīng)濟(jì)上可行。

五、認(rèn)識(shí)與建議

數(shù)值模擬表明長(zhǎng)寧地區(qū)頁(yè)巖氣井生產(chǎn)所需最低裂縫導(dǎo)流能力介于10～12 mD·m之間，室內(nèi)導(dǎo)流能力測(cè)定結(jié)果顯示全井采用石英砂可滿足頁(yè)巖氣井正常生產(chǎn)。

單段1 800 m3壓裂液，160 t支撐劑，70/140目占比70%，全程石英砂壓裂實(shí)施后，試驗(yàn)井折算1 500 m改造段長(zhǎng)測(cè)試產(chǎn)量提高67%，單井折算1 500 m改造段長(zhǎng)支撐劑成本降低約145萬(wàn)元，降本增效顯著，新工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行。

建議后期加大在長(zhǎng)寧地區(qū)的石英砂替代陶粒壓裂工藝試驗(yàn)力度，力爭(zhēng)早日應(yīng)用推廣，全力支撐川南頁(yè)巖氣高效低成本開(kāi)發(fā)。